Введение

Магнитостриктивный сплав
Терфенол D, сплав формулы Tb<sub>x</sub>Dy<sub>1−x</sub>Fe<sub>2</sub> (x ≈ 0.3), является магнитостриктивным материалом. Он был первоначально разработан в 1970-х годах в Лаборатории военно-морского вооружения в Соединенных Штатах. Технология эффективного производства материала была разработана в 1980-х годах в лаборатории Эймса в рамках программы, финансируемой ВМС США. Название сплава образовано от тербия, железа (Fe), Лаборатории военно-морского вооружения (NOL), а буква D происходит от диспрозия.

Физические свойства

Сплав обладает самой высокой магнитострикцией среди всех сплавов, достигающей 0,002 м/м при насыщении; он расширяется и сжимается в магнитном поле. Терфенол D характеризуется большой силой магнитострикции, высокой плотностью энергии, низкой скоростью звука и низким модулем Юнга. В наиболее чистой форме он также обладает низкой пластичностью и низкой устойчивостью к разрушению. Терфенол D – это серый сплав, состав которого может варьироваться в различных соотношениях его элементов, всегда подчиняясь формуле Tb<sub>x</sub>Dy<sub>1−x</sub>Fe<sub>2</sub>. Добавление диспрозия облегчает проявление магнитостриктивного отклика, снижая необходимый уровень магнитного поля. При увеличении соотношения Tb и Dy магнитостриктивные свойства сплава сохраняются при температурах до −200 °C, а при его уменьшении – до 200 °C. Состав Терфенола D обеспечивает высокую магнитострикцию и магнитный поток при воздействии магнитного поля. Это справедливо для широкого диапазона сжимающих напряжений, при этом наблюдается тенденция к уменьшению магнитострикции с ростом этих напряжений. Существует также взаимосвязь между магнитным потоком и сжатием: увеличение сжимающего напряжения приводит к менее резкому изменению магнитного потока. Терфенол D в основном используется благодаря своим магнитостриктивным свойствам, то есть способности изменять форму под воздействием магнитных полей в процессе намагничивания. Магнитно-термическая обработка позволяет улучшить магнитостриктивные свойства Терфенола D при низких сжимающих напряжениях для определенных соотношений Tb и Dy.

Приложения

Благодаря своим материальным свойствам, Терфенол D превосходно подходит для изготовления низкочастотной, мощной подводной акустики. Первоначально он применялся в военно-морских гидроакустических системах. Он находит применение в магнитомеханических датчиках, актуаторах, а также в акустических и ультразвуковых преобразователях благодаря высокой плотности энергии и широкой полосе пропускания, например, в устройстве SoundBug (его первое коммерческое применение от FeONIC). Его деформация также больше, чем у другого обычно используемого материала (PZT8), что позволяет преобразователям на основе Терфенола D достигать больших глубин при исследовании океана, чем предыдущим поколениям преобразователей. Низкий модуль Юнга создает некоторые сложности из-за сжатия на больших глубинах, которые решаются в конструкциях преобразователей, способных работать на глубине до 1000 футов с потерей точности всего около 1 дБ. Благодаря широкому диапазону рабочих температур, Терфенол D также полезен в акустических преобразователях для глубоких скважин, где окружающая среда может характеризоваться высоким давлением и температурой, например, в нефтяных скважинах. Терфенол D также может использоваться для приводов гидравлических клапанов благодаря своим высоким деформационным и силовым характеристикам.

Производство

Рост использования терфенола D в преобразователях потребовал новых методов производства, обеспечивающих более высокую скорость и качество, поскольку исходные методы были ненадежными и мелкосерийными. Существует четыре метода производства терфенола D: плавка в свободной зоне, модифицированный метод Бриджмена, спеченный порошковый компактинг и композиты на основе полимерной матрицы. Первые два метода – плавка в свободной зоне (FSZM) и модифицированный метод Бриджмена (MB) – позволяют получать терфенол D с высокими магнитостриктивными свойствами и плотностью энергии. Однако, из-за поверхностного натяжения терфенола D и отсутствия контейнера, ограничивающего материал в процессе FSZM, невозможно получить стержни диаметром более 8 мм. Метод MB позволяет получать образцы диаметром не менее 10 мм, при этом ограничением является влияние стенок на рост кристалла. Оба метода создают твердые кристаллы, требующие дальнейшей обработки для получения геометрии, отличной от прямого цилиндра. Твердые кристаллы, полученные этими методами, имеют мелкопластинчатую структуру. Два других метода – спеченный порошковый компактинг и композиты на основе полимерной матрицы – основаны на использовании порошков. Эти методы позволяют создавать сложные формы и детали. Однако, размер изделий ограничен диаметром 10 мм и длиной 100 мм из-за используемых пресс-форм.